[发明专利]锂离子电池负极材料中空锡合金纳米颗粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料中空锡合金纳米颗粒及其制备方法，属于新型储能材料领域。 

背景技术

作为新一代绿色储能器件，锂离子电池自诞生以来被广泛应用于日常电子产品中，对能源的清洁利用与高效存储具有很大的推动作用。然而，随着便携式电子设备、航天航空以及军用电子设备等产业的迅速发展，对锂离子电池的寿命和容量提出了更高的要求，以石墨为负极的锂离子电池已经不能满足其容量需求，因此发展具有高容量和长寿命的锂离子电池负极材料具有重要的研究意义和社会价值。 

作为锂离子电池负极材料，锡因为具有高的质量比容量(993mAhg^-1)和体积比容量(7237AhL^-1)而受到广泛关注。然而其严重的体积膨胀所产生的内应力导致电极材料容易发生粉化和剥落，其容量迅速下降，最终使电池失去活性。已有报道，通过锡合金化和制备中空结构材料能够缓解锂离子电池负极材料在充放电过程中的体积膨胀，提高电池循环性能。Klaus Mullen和Linjie Zhi等以三苯基锡作为前驱体，通过高温热解的方法制备了碳包覆的中空锡纳米颗粒，然而，在制备过程中，使用的前驱体是三苯基锡，对原料纯度要求也高，同时需要多次高温处理，制备过程复杂。 

电流置换反应制备纳米材料是利用一种标准电极电位低的金属从标准电极电位高于它的其他金属的盐溶液中置换另外一种金属。电流置换法制备纳米材料除具有易于操作、过程简单以及可在室温下进行、使用的盐溶液浓度很低(mM级)、节省成本的优势外，电流置换反应制备的纳米材料为中空结构，将其用于锂离子电池负极材料，可利用中空预留体积缓解负极材料的体积膨胀，有利于电池循环性能的提高。目前，电流置换反应主要是利用标准电极电位远低于贵金属标准电极电位的金属从贵金属盐溶液中制备贵金属中空纳米颗粒，还没有利用电流置换反应制备中空锡合金(锡钴、锡镍或锡铜)纳米颗 粒的报道。且因为金属钴、铜、镍与锡的标准电极电位相差较大，因此置换反应较难进行。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极材料中空锡合金纳米颗粒及其制备方法，该材料可利用合金化和中空结构缓解锡为锂离子电池负极材料的体积膨胀问题，改善电池的循环性能，且该制备方法过程简单，反应条件温和，易于控制，成本较低。 

本发明主要通过以下技术方案实现： 

一种用于锂离子电池负极材料的纳米颗粒，所述纳米颗粒是由锡铜、锡镍或锡钴合金组成，结构为中空结构。 

进一步地，所述纳米颗粒直径在100nm-600nm之间。 

进一步地，所述中空结构的空腔直径在50nm-500nm之间，壁厚在10nm-60nm之间。 

一种用于锂离子电池负极材料的纳米颗粒的制备方法，包括， 

制备镍、钴、锡纳米颗粒； 

制备中空锡合金纳米颗粒。 

进一步地，采用化学法制备所述镍、钴、锡纳米颗粒。 

进一步地，采用电流置换反应制备所述中空锡合金纳米颗粒。 

进一步地，所述电流置换反应的反应时间为48h-120h，反应温度为50℃-100℃，置换液的组成为含有0.1M-1M SnCl₂和0.1mg/ml-1mg/ml PVP的乙醇或乙二醇溶液。 

进一步地，所述的电流置换反应时间为24h-48h，反应温度为4℃-40℃，置换液组成为含有0.01M-0.05M CuSO₄和0.01mg/ml-0.05mg/ml PVP的乙醇或乙二醇溶液。 

与已有技术相比，本发明有益效果体现在： 

本发明的特色之一在于利用电流置换反应制备了锂离子电池负极材料中空锡合金纳米颗粒，该制备方法过程简单，反应条件温和，易于控制，成本较低。 

本发明的特色之二在于利用电流置换反应制备的中空锡合金纳米颗粒，该纳米颗粒是由锡铜、锡镍或锡钴合金组成，结构为中空结构，颗粒直径在100nm-600nm之间，空腔直径在50nm-500nm，壁厚在10nm-60nm之间，可利用合金化和中空结构缓解锡作为锂离子电池负极材料的体积膨胀问题，改善电池的循环性能。 

本发明的特色之三在于制备的中空锡合金纳米颗粒用于组装扣式半电池测试，循环50次后，电池可逆容量在340mAhg-1以上，相对于Sn纳米颗粒，充放电循环性能显著提高。 

附图说明